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应力测试方法的现状及发展趋势

发布时间:2021/08/23

  工业生产中,应力与应力集中是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发生失效的主要原因之一。承载结构件由于加工制造、焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载荷的作用下产生应力集中都会使其机械特性发生改变,尤其会对承载结构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强度和形状精度等产生较大的影响。因此应力的测量及其状态评估一直是国内外研究的热点。

 

  1、常用应力测试方法

  应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失效的主要原因。研究材料的应力分布及应力状态下材料的物理性质,能够预防工程应用中可能出现的损坏或失效。

 

  而对于有益的物性改变,加以合理的利用可以增强材料的机械性能,因此分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值,应力测试方法是实现这一价值的必要手段。目前,常用的应力测试方法有机械法、磁测法、衍射法、超声法。

 

  1.1机械法

  ●1.1.1小孔法

  小孔法于1934年由德国学者J.Mather提出,并由Soete发展完善,使其具有实用性。经过数十年的发展,美国材料试验协会(ASTM)于1981年颁布了钻孔测量法残余应力标准(ASTME837—1981),并于2008年更新为ASTME837—08,将其确定为一种标准化的测试方法。其基本原理是采用结构件表面钻孔的方式释放其表面应力,并用预先粘贴好的三向应变片测量钻孔前后的应变松弛,通过应变片测量材料应力释放前后的应变量,运用相应的应力学公式计算出对应的主应力值及主应力方向。

 

  根据钻孔是否钻通,小孔法可分为通孔法和盲孔法。根据钻孔方式不同,小孔法又可分为钻孔开孔法、喷砂开孔法和高速透平铣孔法。

 

  其中钻孔开孔法是小孔法测试残余应力中最简单的开孔方式,目前在我国实际生产中已得到了广泛的应用,该方法测量方便,操作简单,且设备便宜,但钻孔时孔壁受到钻头挤压会发生塑性变形产生附加应变,影响残余应力测量精度。

 

  综上所述,小孔法由于具有对构件破坏性小、测量精度较高、设备轻便且便宜等特点,得到广泛应用,但在使用过程中应注意以下问题:

 

  1)释放系数A和B。释放系数受工件材料类型、厚度、所用应变片尺寸等因素的影响,因此对于不同的使用条件需对释放系数分别进行标定。在弹性范围内,应变释放系数A、B均为常数。当孔边材料发生屈服时,塑性应变的数值随应力水平变化,这时需对释放系数进行分级处理。通孔法应变释放系数可由Kirsch理论解直接计算出,盲孔法应变释放系数则需用实验标定,近年来有研究将有限元法引入释放系数的标定中,证明有限元法能对释放系数进行有效标定,进而简化了释放系数标定的复杂度和难度。

  2)附加应变。钻孔时由于刀具切削作用引起孔边塑性挤压,会产生附加应变。为消除其对测量结果的影响,可结合光学方法进行测量,其优点在于可进行全场测量,并可得到靠近孔周的残余变形信息。两者相结合能使小孔法的测量精度显著提高。

  3)钻孔偏心。在钻孔测量时,不可避免会产生钻孔偏心,标准提出当钻孔中心与应变花中心的不重合度误差在(0.004~0.02)D,且不可重复时,可对测试应力值进行修正。

 

  ●1.1.2环芯法

  环芯法由Milbradt于1951年提出,其原理与小孔法相似,是在待测工件上贴应变花,并在应变花周围铣一直径为D的浅环槽,将其中的环芯部分从工件本体分离开来,残留在环芯中的应力同时被释放出来,最终将应变花测得的应变结果带入相应的应力计算公式,即可得到工件待测点的主应力及其方向,其计算公式与小孔法相同。

 

  这种方法也属于局部破坏测量方法,其破坏性比盲孔法大,但它的应变释放率高于盲孔法,且可测量近表面一定深度范围内的残余应力分布,且测试精度比盲孔法高。目前已制定环芯法测试汽轮机、汽轮发电机转子锻件残余应力的相关标准,并在这两个领域得到广泛应用。

 

  1. 2磁测法

  ●1.2.1金属磁记忆法 

  金属磁记忆检测方法是20世纪90年代,以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出的铁磁金属材料诊断检测技术。

 

  其原理是从铁磁金属表面拾取地磁场作用下的漏磁场信息,处于地磁环境下的铁磁构件受载荷的作用,应力和变形集中区会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向。

 

  这种不可逆变化在工作载荷消除后会保留下来,并在应力与变形集中区形成漏磁场感应强度HP的变化,即HP的切向分量HP(x)具有最大值,而法向分量HP(y)改变符号且具有零值点,通过检测铁磁构件表面磁场分布情况,如磁场法向分量Hp(y)及梯度K=dHP(y)/dx等特征量,可对应力集中或缺陷进行准确推断。

 

  目前金属磁记忆法的主要应用于确定设备和构件的应力应变状态的不均匀性和应力集中区。将其与常规无损检测方法结合可减少检测成本、检测构件裂纹(尤其是焊接裂纹);各种类型焊接的质量控制(包括接触焊与点焊);通过构件的不均匀性对新生产和在役机械制造产品实施快速分类等。

 

  ●1.2.2巴克豪森噪声法

  1919年德国科学家H.Barkhausen发现铁磁体内可诱发出可测噪声信号,随后于20世纪逐渐开发成一种新型无损检测技术,即巴克豪森噪声(BarkhausenNoise,BN)技术。

 

  铁磁材料在磁化时,会发生磁畴壁移动和磁畴内磁矩的整体转动,并且在磁滞曲线最陡的阶段发生磁畴的不可逆运动。外磁场强度连续缓慢的变化,使得磁感应强度的变化产生不连续跳跃,这将在试件表面的接收线圈中产生一系列杂乱的电脉冲信号(即BN)。作用在铁磁材料中的应力大小和方向不同,将影响巴克豪森噪声信号的强弱。因此,可通过测量巴克豪森磁噪声的活性及各参量来评估材料的应力状态。

 

  ●1.2.3磁应变法

  磁应变法的基本原理是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应,即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸的变化。反之,当材料处于应力作用时,材料的磁导率也会发生相应的变化。

 

  测量时,在向磁各向异性传感器提供恒定的磁电动势的条件下,磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化,而这种变化体现在传感器上检测线圈感生电动势的变化,从而将非电量的应力应变转化成可以测量的电量(如电流、电压),达到测量应力状态的目的。

 

  磁应变法的研究主要是基于采用不同的传感器设计并建立其磁输出信号与实际应力应变之间定量的算法关系。上世纪80年代前苏联、日本等国家,用U型探头测定应力,目前已有二级探头、四级探头、九级探头、三级探头等传感器和仪器被陆续开发出来。

 

  1.3衍射法

  ●1.3.1X射线衍射法

  X射线衍射法是残余应力测定技术中无损检测方法之一,是研究最为广泛深入且成熟的应力测定方法,被广泛应用于科学研究和工业生产的各个领域中。X射线应力测定的基本原理是:当一束波长为λ的射线照射到多晶体上时,会在一定的角度上接收到反射的X射线强度极大值(即衍射峰)。其中,X射线的波长、衍射晶面间距d和衍射角2θ之间遵从布拉格定律:2dsinθ=nλ(n=1,2,3……)

 

  当应力引起晶格间距d发生变化时,衍射角2θ随之变化。所以要求晶面间距d的变化,只要测得衍射角2θ的变化即可。利用衍射角的变化,根据弹性力学相关方程,可求出材料某一方向的应力大小。

 

  X射线衍射法最早由前苏联学者Akcehob于1929年提出,1961年德国学者E.Macherauch提出sin2ψ法,随后X射线衍射法引起各国学者的广泛关注并进行了深入研究。欧盟标准委员会(CEN)于2008批准了新的X射线衍射残余应力测定标准EN15305—2008。同年,中国也颁布标准GB/T7704—2008;美国试验材料学会(ASTM)于2010年发布了最新的X射线衍射残余应力测定标准ASTME915—2010。

 

  X射线检测能成为目前最成熟且应用范围最广泛的测量结构表面残余应力的方法,其独特的优势在于:

 

  1)理论成熟,测量精度高,测量结果准确可靠。与其他方法相比,X射线衍射法在应力测量的定性定量方面可信度较高;

  2)通过X射线积分法、剥层法和多波长法可测量材料的三维残余应力;

  3)破坏性小,X射线法基本实现对材料的无损检测。

 

  ●1.3.2中子衍射法

  中子衍射法应力分析始于20世纪80年代,是近20年发展起来的一种无损测定残余应力的方法,可以测定大体积工件的三维应力分布。

 

  中子衍射测量残余应力的基本原理与X射线应力测定方法相似,当波长为K的中子束通过多晶材料样品时,对应晶面间距d,在满足布拉格关系(λ=2dsinθ)的位置出现衍射峰。在应力的作用下晶面间距产生变化Δd,则衍射峰位置产生移动,通过测定这种移动获取材料的应力状态。

 

  近年来,中子衍射测试技术多被应用于材料焊缝及周围热影响区的三维残余应力分布、宏观部件热加工、热处理和机加工后残余应力的测量。

 

  与常规X射线衍射相比较,中子衍射残余应力分析的独特优势是中子具有很强的穿透能力,对于大多数工程材料而言,穿透能力在厘米量级,并能监视现实环境和加载条件下残余应力的演化,是测量较大体积固体材料内部残余应力的独特技术。

 

  中子衍射测量残余应力的缺点是首先中子源的流强较弱,测量时间较长;其次中子衍射测量需要样品的标准体积较大,且空间分辨较差,通常为10mm3,是X射线衍射的十分之一,因此,中子衍射不能测量材料表层的残余应力,只有测量在距表面100μm及以上区域测量,中子衍射方法才具有优势。

 

  另外,中子衍射残余应力测量受中子源的限制,衍射装置不具有便携性,无法在工作现场进行实时测量,且中子源建造和运行费用昂贵,在一定程度上也限制了该方法的商业应用。

 

  1.4超声及纳米压痕法

  ●1.4.1超声波法

  S.Okada于1940年提出应力引起的声双折射现象,1953年美国田纳西大学D.S.Hughes和J.L.Kelly根据有限变形理论,提出各向同性材料声弹性理论的早期表达形式,最先建立了超声波在材料中传播时速度与应力之间的关系,由此奠定了声弹性理论的基础。

 

  目前超声波测量残余应力的方法有多种,其中声速测量法和频谱分析法是应用最广泛的两种方法。

 

  声速测量法是根据声弹性公式中构建的声速与应力的关系,通过测量波速变化就可以计算出材料残余应力的大小,声速测量法主要有相位比较法、声时测量法、临界角折射测量法等,其中声时测量法应用最广泛。

 

  频谱分析法测量应力的原理是:超声波横波受力时会分解成传播速度不同的两束波而产生干涉效应,通过测量接收信号的回波功率谱来计算应力值。

 

  在应力测量中使用的波形有:横波双折射,优点是波形对应力最敏感;SH波,优点是无需标定声弹性系数;纵波、纵波和横波相结合等方法。

 

  20世纪末使用临界折射纵波测量得到了极大的发展并已成功用于简单应力状态的测量。由于表面波声速低、可随频率变化,在探测不同表面深度的应力变化方面,已逐渐成为研究焦点。

 

  超声波法作为结构内部残余应力无损检测的重要方法,具有测量简便、快速、适合在线检测等优点,同时在应用中也存在一些问题:

 

  1)工件中声速对应力的响应非常小,通常兆帕级的应力只引起声速纳秒级的变化,这样对信号处理的要求就非常高;

  2)检测过程中由于材料组织结构(特别是织构、粗晶)等原因会引起一定程度的织构效应。织构效应会引起声速的波动,这种波动可能会超过应力引起的声速变化;

  3)对于轧制钢板等材料,不可避免的存在各向异性。这种现象对声速的影响可能也会超过应力对声速的影响,导致难以区分应力状态。

 

  2、常用应力测试方法比较

  传统的应力测量方法,如机械法、光测法、衍射法等,其优势在于理论体系完备,检测方法成熟,可以精确测量构件表面的主应力大小与方向,给出应力分布图,但检测周期长,对构件表面光洁程度要求高,大多采用接触式测量方法,操作过程复杂。

 

  例如,机械法对被检测对象有破坏,只能逐点测量,精度受应变片栅长限制;多点测量时,需反复安装应变片,多次调整检测电路;光测法对光学元件及光路调整要求较高,对被测件表面质量要求也很高,并且受检测设备的限制,许多工业结构无法安装光路;对于内部结构不均匀的构件,制造模型困难,难以应用光测方法分析应力。

 

  因此,目前这些较为成熟的应力定量检测方法都很难适应现代化工业生产的要求,在应用中可将光测法与机械法相结合,可显著提高应力测量精度。

 

  衍射法能对应力进行准确的定量检测,但仪器较大且设备昂贵,一般企业不具备购置设备的条件。

 

  超声波法和纳米压痕法因其操作的简便性,而具有广阔的应用前景,但超声波法只能测试一定距离内的平均应力,无法对单点做定量检测,纳米压痕法的理论模型尚不成熟,还有待做进一步的实验研究。

 

  磁学应力测试方法检测时传感器不需要紧贴在构件表面,在一定的提离值范围内,检测信号强度不会受到影响,因此检测对构件表面状况没有严格的要求。与其他检测方法相比,具有操作简单,可进行非接触检测的优点,缩短了检测时间,适合工业在线检测的需要,便于实现现场的快速自动化检测;但磁学应力测试方法的缺点在于信号产生原理复杂,定量检测困难,在内应力和磁化场作用下,构件内部磁畴结构的运动机理还没有得到更好的解释。

 

  目前,采用磁学方法检测应力主要应用于定性检测和定量化要求不高的场合,在检测精度较高的时候,常与其他检测方法配合使用,该方法可以快速定性的判断构件应力状况,找出应力集中或危险位置,再进行针对性的定量测量。表1是各应力检测方法的特点对比分析。

 

  3、结束语

  应力测量和状态评价方法经过几十年的发展和应用,已经形成了各具特色的多种检测技术,并广泛应用于各个行业,成为现代工业安全保障和产品质量控制的重要手段。

 

  然而,无论是传统的应力测量方法,还是新型的磁学、声学应力测试方法,在应力的定量检测方面还存在一定难度,特别是随着近年来现代工业的快速发展和社会安全保障水平的提高,各行业各领域对应力测量和评价方法提出了更高的要求。

 

  为了提高应力测量的检测精度和检测效率,两种或两种以上检测方法配合使用,成为当前应力测量和状态评估研究的一大发展方向。

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